SPI协议详解（图文并茂+超详细）(1)

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MISO：Master input slave output 主机输入，从机输出（数据来自从机）；
MOSI：Master output slave input 主机输出，从机输入（数据来自主机）；
SCLK ： Serial Clock 串行时钟信号，由主机产生发送给从机；
SS：Slave Select 片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

其他制造商可能会遵循其他命名规则，但是最终他们指的相同的含义。以下是一些常用术语；

MISO也可以是SIMO，DOUT，DO，SDO或SO（在主机端）;
MOSI也可以是SOMI，DIN，DI，SDI或SI（在主机端）;
NSS也可以是CE，CS或SSEL;
SCLK也可以是SCK;

本文将按照以下命名进行讲解[MISO, MOSI, SCK，NSS]

下图显示了单个主机和单个从机之间的典型SPI连接。

主从连接

时钟频率

SPI总线上的主机必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。

主机在MOSI线上发送一位数据，从机读取它，而从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。

就算只进行单向的数据传输，也要保持这样的顺序。这就意味着无论接收任何数据，必须实际发送一些东西！在这种情况下，我们称其为虚拟数据；

从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是您想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性 CKP/Clock Polarity

除了配置串行时钟速率（频率）外，SPI主设备还需要配置时钟极性。

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

CKP可以配置为1或0。这意味着您可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。您必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1；

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)

除配置串行时钟速率和极性外，SPI主设备还应配置时钟相位（或边沿）。根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA；

顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样；

时钟配置总结

综上几种情况，下图总结了所有时钟配置组合，并突出显示了实际采样数据的时刻；

其中黑色线为采样数据的时刻；

蓝色线为SCK时钟信号；

具体如下图所示；

模式编号

SPI的时钟极性和相位的配置通常称为 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下约定；具体如下表所示；

SPI Mode	CPOL	CPHA
0 [00]	0	0
1 [01]	0	1
2 [10]	1	0
3 [11]	1	1

除此之外，我们还应该仔细检查微控制器数据手册中包含的模式表，以确保一切正常。

多从机模式

前面说到SPI总线必须有一个主机，可以有多个从机，那么具体连接到SPI总线的方法有以下两种：

第一种方法：多NSS

通常，每个从机都需要一条单独的SS线。
如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他NSS信号线的状态为高电平；如果同时将两个NSS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

具体连接方式如下图所示；

多NSS连接

第二种方法：菊花链

菊花链

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；

具体的连接如下图所示；

菊花链连接

其中红线加粗为数据的流向；

所以最终的数据流向图可以表示为：

数据流图

SCK为时钟信号，8clks表示8个边沿信号；

其中D为数据，X为无效数据；

所以不难发现，菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

优缺点

SPI通讯的优势

使SPI作为串行通信接口脱颖而出的原因很多；

全双工串行通信；
高速数据传输速率。
简单的软件配置；
极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

SPI的缺点

没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
通常仅支持一个主设备；
需要更多的引脚（与I2C不同）；
没有定义硬件级别的错误检查协议；
与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

编程实现

下面是通过STM32的cubemx自动生成的HAL库代码，比较简单，截取了其中一部分，具体如下；

static void MX\_SPI1\_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;				//主机模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;	//全双工
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;		//数据位为8位
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;		//CPOL=0
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;			//CPHA为数据线的第一个变化沿
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;					//软件控制NSS
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;//2分频，32M/2=16MHz
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;			//最高位先发送
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;			//TIMODE模式关闭
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//CRC关闭
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;					//默认值，无效
    if (HAL\_SPI\_Init(&hspi1) != HAL_OK)				//初始化
    {
        \_Error\_Handler(\_\_FILE\_\_, \_\_LINE\_\_);
    }
}
    
//发送数据
HAL_StatusTypeDef  
HAL\_SPI\_Transmit(SPI_HandleTypeDef \*hspi, 
                 uint8\_t \*pData, 
                 uint16\_t Size, 
                 uint32\_t Timeout);
//接收数据
HAL_StatusTypeDef  
HAL\_SPI\_Receive(SPI_HandleTypeDef \*hspi, 
                uint8\_t \*pData, 


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